JP2014052263A - 外力検出装置及び外力検出センサー - Google Patents

Abstract

【課題】
圧電板に加わる外力を簡易な構造で高精度に検出することができる外力検出装置及び外力検出センサーを提供すること。
【解決手段】
圧電板に外力が加わって撓むとあるいは撓みの程度が変わると、圧電板側の可動電極５とこの可動電極５に対向する固定電極６との間の距離が変わる。このため両電極５、６間の容量が変わり、この容量変化と圧電板の撓みの度合とを圧電板の発振周波数の変化として捉えている。圧電片の僅かな変形も発振周波数の変化として検出できるので、圧電片に加わる外力を高精度に測定することができ、しかも装置構成が簡素である。
また圧電板に外力が加えられたときに撓む部位、あるいは、当該部位と対向する容器側の部位に導電体８を設けているため、圧電板が静電引力により容器１側に引き込まれる虞がないため安定した測定ができる。
【選択図】図１

Description

本発明は圧電板、例えば水晶板を用い、圧電板に作用する外力の大きさを発振周波数に基づいて検出することにより、加速度、圧力、流体の流速、磁力あるいは静電気力などの外力を検出する技術分野に関する。

系に作用する外力として、加速度に基づく物体に作用する力、圧力、流速、磁力、静電気力などがあるが、これらの外力を正確に測定することが必要となる場合が多い。例えば自動車を開発する段階で自動車が物体に衝突したときに座席における衝撃力を測定することが行われている。また地震時の振動エネルギーや振幅を調べるためにできるだけ精密に揺れの加速度などを調べる要請がある。更にまた液体や気体の流速を正確に調べてその検出値を制御系に反映させる場合や、磁石の性能を測定する場合なども外力の測定例として挙げることができる。このような測定を行うに当たって、測定装置にはできるだけ簡素な構造であり、かつ高精度に測定することが要求されている。

特許文献１には、圧電フィルムを片持ちで支持し、周囲の磁力の変化により圧電フィルムが変形し、圧電フィルムに流れる電流が変化することが記載されている。
更にまた液体や気体の流速を正確に調べてその検出値を制御系に反映させる場合や、磁石の性能を測定する場合なども外力の測定例として挙げることができる。
このような測定を行うにあたって、できるだけ簡素な構造でありかつ高精度に測定することが要求されている。
また特許文献２には、容量結合型の圧力センサーと、この圧力センサーの配置領域に対して仕切られた空間に配置された水晶振動子とを設け、これら圧力センサーの可変容量と水晶振動子とを並列に接続し、圧力センサーにおける容量が変化することにより水晶振動子の反共振点が変わることで圧力を検出することが記載されている。
これら特許文献１、２は、本発明とは原理が全く異なる。

特開２００６−１３８８５２号公報（段落００２１、段落００２８） 特開２００８−３９６２６号公報（図１及び図３）

本発明はこのような背景の下になされたものであり、圧電板に加わる外力を簡易な構造で高精度に検出することができる外力検出装置及び外力検出センサーを提供することにある。

圧電板に作用する外力を検出する外力検出装置であって、
絶縁体からなる容器と、
前記圧電板を前記容器内にて支持するための支持部と、
前記圧電板を振動させるために、当該圧電板の一面側及び他面側に夫々設けられた一方の励振電極及び他方の励振電極と、
前記一方の励振電極に電気的に接続された発振回路と、
前記圧電板の支持部から離れた位置に設けられ、前記他方の励振電極に電気的に接続された可変容量形成用の可動電極と、
前記圧電板とは離間して、前記可動電極に対向するように設けられると共に前記発振回路に接続され、圧電板の撓みにより前記可動電極との間の容量が変化してこれにより可変容量を形成する固定電極と、
前記発振回路の発振周波数に対応する周波数情報である信号を検出するための周波数情報検出部と、
前記圧電板における前記可動電極とは反対側の面であって、外力により撓む部位と、当該部位と対向する部位と、の少なくとも一方に設けられた導電体と、を備え、
前記発振回路から一方の励振電極、他方の励振電極、可動電極及び固定電極を経て発振回路に戻る発振ループが形成され、
前記周波数情報検出部にて検出された周波数情報は、圧電板に作用する外力を評価するためのものであることを特徴とする。

また本発明の外力検出装置は、前記圧電板は、可動電極が形成される本体部分と、この本体部分の周方向にそって複数設けられ、各々外方に伸び出すと共に支持部に支持された支持梁と、を備えたことを特徴としてもよい。

さらに本発明の外力検出装置は前記圧電板における可動電極が形成される面とは反対側の面に一方の励振電極が設けられ、前記可動電極は他方の励振電極を兼用していることを特徴としてもよく、前記支持梁は、前記圧電板を撓み易くするための切れ込みが形成されていることを特徴としてもよい。

本発明の外力検出センサーは、上述の外力検出装置に用いられることを特徴とする。

本発明は、圧電板に外力が加わって撓むとあるいは撓みの程度が変わると、圧電板側の可動電極とこの可動電極に対向する固定電極との間の距離が変わる。このため両電極間の容量が変わり、この容量変化と圧電板の撓みの度合とを圧電板の発振周波数の変化として捉えている。圧電片の僅かな変形も発振周波数の変化として検出できるので、圧電片に加わる外力を高精度に測定することができ、しかも装置構成が簡素である。
また圧電板に外力が加えられたときに撓む部位、あるいは、当該部位と対向する容器側の部位に導電体を設けているため、圧電板が静電引力により容器側に引き込まれる虞がないため安定した測定ができる。

本発明に係る外力検出装置を加速度検出装置として適用した第１の実施の形態の要部を示す縦断側面図である。 第１の実施の形態に用いられる水晶振動子の上面を及び下面を示す平面図である。 加速度検出装置の回路構成を示すブロック図である。 前記加速度検出装置の等価回路を示す回路図である。 前記加速度検出装置を用いて取得した加速度と周波数差との関係を示す特性図である。 本発明に係る外力検出装置を加速度検出装置として適用した実施形態を示す縦断側面図である。 図６におけるＡ−Ａ´線に沿った横断平面図である。 図６におけるＢ−Ｂ´線に沿った横断平面図である。 前記実施形態に用いられる水晶板の裏面側を示す平面図である。 前記実施形態において、水晶板が外力により撓む様子と各部の寸法とを示す縦断側面図である。 前記実施形態に係る加速度検出装置の一部分の外観を示す外観図である。 前記実施形態に係る加速度検出装置の回路を示すブロック回路図である。 本発明に係る外力検出装置を加速度検出装置として適用した第２の実施の形態を示す縦断側面図である。 本発明に係る外力検出装置を加速度検出装置として適用した第２の実施の形態を示す平面図である。 第３の実施の形態に用いられる水晶板と、水晶板の支持部とを示す斜視図である。 第３の実施の形態において、水晶板が外力により撓む様子と各部の寸法とを示す縦断側面図である。

[第１の実施の形態]
本発明を加速度検出装置に適用した例について説明する、図１は加速度検出装置のセンサー部分である外力検出センサーに相当する加速度センサーを示す図である。図１中１は、直方体形状の密閉型の例えば水晶からなる容器であり、内部は真空状態とされている。この容器１は基台１６と、この基台に周縁部にて接合される蓋部１７とから構成されており、例えば材質としてはガラスなどのセラミックや水晶が用いられる。なお容器１としては必ずしも密閉容器に限定されるものではない。容器１内には、水晶板２を支持する支持部となる水晶からなる台座１１が設けられ、この台座１１の上面に導電性接着剤１０により圧電板である水晶板２の一端側が固定されている。すなわち水晶板２は台座１１に片持ち支持されている。水晶板２は例えばＺカットの水晶を短冊状に形成したものであり、厚さが例えば０．０３ｍｍに設定されている従って水晶板２に交差する方向に力が加わることにより、先端部が撓む。

水晶板２は図２（ａ）に示すように上面の中央部に一方の励振電極３１が設けられ、また図２（ｂ）に示すように下面における、前記励振電極３１と対向する部位に他方の励振電極４１が設けられている。上面側の励振電極３１には、帯状の引き出し電極３２が接続され、この引き出し電極３２は水晶板２の一端側で下面側へと折り返されている。
台座１１の上面には金属膜からなる導電路１２が形成され、この導電路１２は容器１を貫通しており、容器１を支持している絶縁基板１３に設けられた発振回路１４の一端と接続されている。

下面側の励振電極４１には帯状の引き出し電極４２が接続される。この引き出し電極４２は、水晶板２の他端側（先端側）まで引き出され、可変容量を形成する可動電極５に接続されている。容器１の底部にはコンベックス状の水晶からなる突起部７が設けられている。この突起部７は平面図で見ると四角形であり、水晶板２の長さ方向を前後方向とすると、左右方向から見た断面においては、上面が上に膨らんだ曲線となっている。即ち突起部７は、上面が水晶板２の長さ方向に沿って水晶板２側に突出した円弧状に曲がっており、水晶板２が突起部７側に過度に膨らんだときに先端部よりも基端側が突起部７に衝突するように構成されている。突起部７上で可動電極５に対向する位置には、可動電極５と共に可変容量を形成する固定電極６が設けられている。

水晶板２の先端部の上面側には、例えばＡｕをスパッタリングすることにより、可動電極５と対向する位置に導電体８である金属膜が設けられている。また蓋部１７の下面において、水晶板２の先端部を水平な姿勢としたときに上述の導電体８が投影される領域にも金属膜からなる導電体８を設ける。
固定電極６は、絶縁基板１３を介して配線された引き出し電極１５を介して発振回路１４の他端側に接続されている。図３は外力検出センサーの配線の接続状態を示し、図４は接続状態を示す等価回路を示している。Ｌ１は水晶振動子の質量に対応する直列インダクタンス、Ｃ１は直列容量、Ｒ１は直列抵抗、Ｃ０は電極間容量を含む実行並列容量、ＣＬは発振回路の負荷容量である。上面側の励振電極３１及び下面側の励振電極４１は発振回路１４に接続されるが、下面側の励振電極４１と発振回路１４の間には前記可動電極５と固定電極６との間に形成される可変容量Ｃｖが介在する。
水晶板２の先端部の重量を大きくして、力が加わった時の撓み量が大きくなるようにしてもよい。例えば可動電極５の厚さを大きく形成してもよいし、水晶板２の先端部下面側あるいは、上面側に錘を設置するようにしてもよい。

ここで国際規格ＩＥＣ ６０１２２−１によれば、水晶発振回路の一般式は次の（１）式のように表される。
ＦＬ＝Ｆｒ×（１＋ｘ）
ｘ＝（Ｃ１／２）×１／（Ｃ０＋ＣＬ） ……（１）
ＦＬは、水晶振動子に負荷が加わったときの発振周波数であり、Ｆｒは水晶振動子そのものの共振周波数である。

本実施形態では、図３及び図４に示されるように、水晶板２の負荷容量は、ＣＬにＣｖが加わったものである。従って（１）式におけるＣＬの代わりに（２）式で表されるｙが代入される。
ｙ＝１／（１／Ｃｖ＋１／ＣＬ） ……（２）
従って水晶板２の撓み量が状態１から状態２に変わり、これにより可変容量ＣｖがＣｖ１からＣｖ２に変わったとすると、周波数の変化ΔＦは、（３）式で表される。
ｄＦＬ＝ＦＬ１−ＦＬ２＝Ａ×ＣＬ^２×（Ｃｖ２−Ｃｖ１）／（Ｂ×Ｃ）…（３）
ここで、
Ａ＝Ｃ１×Ｆｒ／２
Ｂ＝Ｃ０×ＣＬ＋（Ｃ０＋ＣＬ）×Ｃｖ１
Ｃ＝Ｃ０×ＣＬ＋（Ｃ０＋ＣＬ）×Ｃｖ２
である。

また水晶板２に加速度が加わっていないときのいわば基準状態にあるときにおける可動電極５及び固定電極６の間の離間距離をｄ１とし、水晶板２に加速度が加わったときの前記離間距離をｄ２とすると、（４）式が成り立つ。
Ｃｖ１＝Ｓ×ε／ｄ１
Ｃｖ２＝Ｓ×ε／ｄ２ ……（４）
ただしＳは可動電極５及び固定電極６の対向領域の面積、εは比誘電率である。
ｄ１は既知であることから、ｄＦＬとｄ２とが対応関係にあることが分かる。

このような実施形態のセンサー部分である加速度センサーは、加速度に応じた外力が加わらない状態においても水晶板２が若干撓んだ状態にある。なお水晶板２が撓んだ状態にあるか水平姿勢が保たれているかは、水晶板２の厚さなどに応じて決まってくる。
このような構成の加速度センサーを例えば横揺れ検出用の加速度センサーと縦揺れ検出用の加速度センサーとを用い、前者は水晶板２が垂直になるように設置され、後者は水晶板２が水平になるように設置される 。

そして例えば地震が発生してあるいは模擬的な振動が加わると、水晶板２の先端部に下向きの力が加わると、水晶板２は図１の鎖線あるいは、図３の実線に示すように撓む。外力の負荷がなく水晶板２が撓んでいない状態における周波数検出部１００により検出された周波数情報をＦＬ１とし、外力が加わり水晶板２が撓んだ場合に検出される周波数情報をＦＬ２とすると、周波数の差分ＦＬ１−ＦＬ２は、（３）式で表される。本発明者は（ＦＬ１−ＦＬ２）／ＦＬ１と、加速度との関係を調べて、図５に示す関係を得ている。従って前記周波数の差分を測定することにより加速度が求まることが裏付けられている。

図３中の１０１は、例えばパーソナルコンピュータからなるデータ処理部である。データ処理部１０１は、周波数検出部１００から得られた周波数情報、例えば周波数に基づいて、水晶板２に外力が加えないときの周波数ｆ０と、水晶板２に外力が加えられた時の周波数ｆ１との差を求め、この周波数差を求め、この周波数差と負荷された外力とを対応付けたデータテーブルを参照して、水晶板２に加えられた外力を求める機能を有する。周波数情報としては、周波数差に限らず、周波数の差分に対応する情報である周波数の変化率[（ｆ１−ｆ０）／ｆ０]であってもよい。

第１の実施の形態によれば、水晶板２に外力が加わって撓むとあるいは撓みの程度が変わると、水晶板２側の可動電極５とこの可動電極５と対向する固定電極６との間の距離が変わり、可動電極５と固定電極６との間の容量が変わる。このため水晶板２の撓みによる発振周波数の変化に加えて、容量変化により発振周波数が変化する。そのため僅かな水晶板２の変形を発振周波数の変化として検出することが可能となるため、水晶板２に加わる外力を高精度に測定することができる。

また水晶板２が屈曲されると、水晶板２に静電荷が発生して、静電誘導によって、水晶板２と対向する絶縁体である蓋部１７の下面にも電荷が生じ、水晶板２と蓋部１７とが静電引力により互いに引き合う虞がある。その場合には、水晶板２の撓み量と外力との関係が狂ったり、あるいは水晶板２の先端部の上面が蓋部１７に張り付いてしまい測定できなくなる場合がある。本発明の実施の形態においては、水晶板２に外力が加わった時の高さ位置の変化量が大きい水晶板２の先端部の上面部と、蓋部１７の水晶板２の先端部と対向する位置、との双方に導電体８を設けている。導電体８を設けた領域は、分極しないため静電引力が抑えられる。従って水晶板２の先端部の上面と蓋部１７とが静電引力により、互いに引き合ったり、水晶板２が蓋部１７に張り付いてしまうといった現象が避けられる。

上述の実施の形態によれば、水晶板２に外力が加わって撓むとあるいは撓みの程度が変わると、水晶板２側の可動電極５とこの可動電極５に対向する固定電極６との間の距離が変わる。このため両電極５、６間の容量が変わり、この容量変化と圧電板の撓みの度合とを圧電板の発振周波数の変化として捉えている。その結果圧電板に加わる外力を高精度に測定することができ、しかも装置構成が簡素である。
また水晶板２に外力が加えられたときに撓む部位、あるいは、当該部位と対向する容器側の部位に導電体を設けているため、水晶板２が静電引力により容器１側に引き込まれる虞がないため安定した測定ができる。

導電体８は、上述の実施の形態のように水晶板２と、水晶板２と対向する容器１との双方に設けてもよいが、一方のみに設けられていても同様の効果が得られる。また容器１側の導電体８あるいは水晶板２側の導電体８をアースと接続することで接地電位とするようにしてもよい。

［第２の実施の形態］
次に本発明を加速度センサーに適用した第２の実施の形態について図６〜図１２を参照しながら説明する。この第２の実施形態は、既述の水晶板２、励振電極３１、４１、可動電極５、固定電極６及び発振回路１４の組を２組設けた点が第１の実施の形態と異なる。３０１は容器１の下側を構成する、基台をなす下部分であり、３０２は容器１の上側をなす蓋体をなす上部分である。水晶板２及び発振回路１４について、一方の組の部品には符号「Ａ」を添え、他方の組の部品には符号「Ｂ」を添えている。図６では、一方側の水晶板２が示されており、側面から見た図としては図１と同じである。図６の圧力センサーの内部を平面的に見ると、図７に示すように第１の水晶板２Ａと第２の水晶板２Ｂとが横に平行に配置されている。

これら水晶板２Ａ、２Ｂは同一の構造であるため、一方の水晶板２Ａについて説明すると、水晶板２Ａの一面側（上面側）において一端側から幅の狭い引き出し電極３２が他端側に向かって伸び、当該引き出し電極３２の先端部に一方の励振電極３１が角形形状に形成されている。そして水晶板２Ａの他面側（下面側）には、図７及び図９に示すように一方の励振電極３１に対向して他方の励振電極４１が形成され、当該励振電極４１における水晶板２の先端側に向かって幅の狭い引き出し電極４２が伸びている。更にこの引き出し電極４２の前記先端側には短冊状の可変容量形成用の可動電極５が形成されている。これら電極３１等は、導電性材料、例えば金属膜により形成されている。夫々の水晶板２Ａ、２Ｂの先端部の上面側には、導電体８が設けられる。また容器１の蓋部の下面側で導電体８と対向する位置にも導電体８が設けられている。

容器１の底部には、図１と同様にコンベックス状の水晶からなる突起部７が設けられているが、突起部７の横幅は、２枚の水晶板２Ａ、２Ｂの配置に対応した大きさに設定されている。即ち、突起部７は２枚の水晶板２Ａ、２Ｂの投影領域を含む大きさに設定されている。そして図８及び図９に示すように突起部７に、水晶板２Ａの可動電極５及び水晶板２Ｂの可動電極５ごとに短冊状の固定電極６が設けられている。なお、図７等では、構造の理解の容易さを優先しているため、水晶板２Ａ（２Ｂ）の撓み形状が正確に記載されていないが、後述の寸法により作成した場合には、水晶板２Ａ（２Ｂ）が過大に振れると、水晶板２Ａ（２Ｂ）の先端よりも中央寄りが突起部７に衝突する。

水晶板２及びその周辺部位に関し、図１０を参照しながら各部の寸法の一例について説明しておく。水晶板２の長さ寸法Ｓ及び幅寸法は、夫々１８ｍｍ及び３ｍｍである。水晶板２の厚さは、例えば数μｍである。水晶板２の一端側における支持面を水平面に平行に設定したとすると、加速度が加わらず放置した状態では自重により撓んだ状態となり、その撓み量ｄ１は例えば１５０μｍ程度であり、容器１の下部分における凹部空間の深さｄ０は、例えば１７５μｍである。また突起部７の高さ寸法は例えば５５〜６０μｍ程度である。これらの寸法は一例に過ぎない。

図１１には、第２の実施の形態の加速度検出装置の回路が示されている。また図１２には、加速度検出装置の一部の外観が示されている。第１の実施の形態と異なる箇所は、第１の水晶板２Ａ及び第２の水晶板２Ｂに夫々対応して第１の発振回路１４Ａ及び第２の発振回路１４Ｂが接続されており、第１の水晶板２Ａ及び第２の水晶板２Ｂごとに、発振回路１４Ａ（１４Ｂ）、励振電極３１、４１、可動電極５及び固定電極６を含む発振ループが形成されている。これら発振回路１４Ａ、１４Ｂからの出力は周波数情報検出部１０２に送られ、ここで各発振回路１４Ａ、１４Ｂからの発振周波数の差分あるいは周波数の変化率の差が検出される。

周波数の変化率とは次の意味である。発振回路１４Ａにおいて、水晶板２Ａが自重で撓んでいる基準状態における周波数を基準周波数と呼ぶとすると、水晶板２Ａが加速度により更に撓んで周波数が変化したとき、周波数の変化分／基準周波数で表わされる値であり、例えばｐｐｂの単位で表わされる。同様に水晶板２Ｂについても周波数の変化率が演算され、これら変化率の差分が周波数に対応する情報としてデータ処理部１０１に出力される。データ処理部１０１では、例えば変化率の差分と加速度との大きさとを対応付けたデータをメモリに記憶しておき、このデータと変化率の差分とに基づいて加速度が検出できる。
水晶板２Ａ（２Ｂ）の撓み量（水晶板２が一直線に伸びている状態と撓んでいるときとの先端部分の高さレベルの差分）と周波数の変化量との関係の一例を挙げておくと、例えば水晶板２の先端が１０^−５μｍオーダで変化すると、発振周波数が７０ＭＨｚの場合、周波数の変化分は０．６５ｐｐｂである。従って極めて小さな外力例えば加速度をも正確に検出できる。
第２の実施の形態によれば、水晶板２Ａ及び水晶板２Ｂを同一の温度環境に配置しているため、水晶板２Ａ及び水晶板２Ｂの各々の周波数が温度により変化したとしても、この変化分がキャンセルされ、結果として水晶板２Ａ、２Ｂの撓みに基づく周波数の変化分だけを検出できるので、検出精度が高いという効果がある。

本発明の実施の形態に係る加速度センサーは、励振電極３１、４１を水晶板２の先端側に形成し、下面側の励振電極４１が可動電極５を兼用するように構成してもよい。上面側の励振電極３１は、水晶板２の帯電を防止する導電体８の役割を果たす。

[第３の実施の形態]
第３の実施の形態に係る外力検出装置として、片持ちで支持することに代えて、複数個所で支持してもよい。その例として、直方体の例えば材質としてはガラスなどのセラミックが用いられた容器１０の内部に円板状の水晶板２０が四方から支持される構成としてもよい。図１３に第３の実施の形態に係る外力検出装置の縦断側面図、図１４に図１３に示した外力検出装置中Ｃ−Ｃ´で切断した平面図を示す。

例えば容器１０は、基台１６と蓋部１７とで構成される。基台１６は、上方が開口された箱型形状に構成されており、側面部の内周面に沿って全周に支持部となる台座１９が設けられており、上方から見ると四角形のリング状に形成されている。後述するように台座１９に水晶板２０を設置した後、基台１６の開口部を蓋部１７で覆うことで密閉された容器１０となる。四方に設けられる台座１９のうちの一方の台座１９の上面には、水晶板２０を固定する位置に導電路１２が設けられる。導電路１２は、容器１を貫通して外部へと引き回されている。導電路１２は、容器１を支持している絶縁基板１３上に設けられた発振回路１４の一端と接続されている。

水晶板２０は、一枚の水晶から切り出されて形成された、励振電極が設けられ本体部分となる、例えば直径５ｍｍ、厚さ０．０２ｍｍの円板部２１と、円板部２１の周方向に等間隔な４か所から放射状に伸びる支持梁２２とで構成されている。支持梁２２は、幅０．３ｍｍの略直方体状に構成されている。図１５に示すように、各々の支持梁２２には、側面から内側に向かって０．０５ｍｍの長さで伸ばされた切れ込み２３を設ける。切れ込み２３は、支持梁２２の長さ方向に０．３ｍｍ間隔で左右両側部で互い違いになるように設けられており、支持梁２２はいわば蛇腹状の構造となっている。

円板部２１の上面側及び下面側には、円板部２１と同心となる円形に励振電極３１、４１が設けられており、夫々の励振電極３１、４１は、円板部２１を介して互いに対向するように配置される。各々の励振電極３１、４１は例えばＣｒとＡｕとの２層構造で、厚さ０．１μｍ程度に形成される。水晶板２０の上面側の励振電極３１からは、帯状の引き出し電極３２が伸ばされており、引き出し電極３２は、１本の支持梁２２の方向に伸ばされた後、支持梁２２の先端で折り返されて、支持梁２２の下面側へと引き回されている。

水晶板２０は、夫々の支持梁２２の先端部を、基台１６の内側面に沿って設けられた台座１９の上面に導電性接着剤１０によって固定される。これにより円板部２１は、４本の支持梁２２によって容器内に支持されて、容器１の底面と水平な姿勢となる。支持梁２２の下面に引き回された引き出し電極３２は、導電性接着剤１０を介して台座１９に設けられた導電路１２と接続される。これにより水晶板２０の上面側の電極は、発振回路１４の一端側と接続されることとなる。
容器１０を形成する基台１６の底面部上には、水晶板２０の下面側に設けられた励振電極４１と隙間を介して対向する位置に、固定電極６が設けられており、蓋部１７の下面側の中央部には励振電極３１と隙間を介して対向する位置に導電体８が設けられている。固定電極６は、絶縁基板１３を介して配線された引き出し電極１５を介して発振回路１４の他端側に接続されている。

第３の実施の形態では、水晶板２０の上面に設けられた励振電極３１が一方の励振電極となり、下面に設けられた励振電極４１が他方の励振電極となる。同時に上面側の励振電極３１と蓋部１７の下面に設けられた導電体８とは、水晶板２０の帯電により生じる静電引力による吸着を防止するための導電体８となる。水晶板２の下面側に設けられた励振電極４１は、静電容量を変更する可動電極となり、基台に設けられた固定電極６とで可変容量を構成している。

第３の実施の形態の外力検出装置に外力が加わると図１６に破線で示すように水晶板２０の中央部が撓み、その高さ位置が変化する。この撓み量により水晶板２０の中央部に設けた励振電極４１と、固定電極６との距離が変化して、両電極４１、６間の容量が変わる。この容量変化と、水晶板２０の変形とが水晶板２０の発振周波数の変化として現れる。従って外力の大きさが発振回路により検出できる。また水晶板２０の中央部の上面側には、励振電極３１が設けられている。また励振電極３１と対向する蓋部１７の下面側の中央部には、導電体８が設けられている。そのため水晶板２０の上面側及び蓋部１７の下面側の中央部で帯電が生じず、水晶板２０に屈曲により静電荷が発生して、静電誘導によって、水晶板２と対向する絶縁体である蓋部１７の下面にも電荷が生じ、水晶板２と蓋部１７とが静電引力により互いに引き合うことがない。

また支持梁２２の構造は上面側と下面側とに互い違いになるように切れ込み２３を入れた蛇腹状に構成してもよい。また支持梁２２は２本であってもよく、３本以上であってもよい。さらに本体部分は角板状であってもよい・
以上において本発明は、加速度を測定することに限らず、磁力の測定、被測定物の傾斜の度合いの測定、流体の流量の測定、風速の測定などにも適用することができる。
例えば外力検出装置の例として磁力を測定する場合の構成例について述べる。水晶板２、２０における可動電極５と励振電極４１との間の部位に磁性体の膜を形成し、磁場に当該磁性体が位置すると水晶板２、２０が撓むように構成する。
さらにまた気体や液体などの流体中に水晶板２、２０を晒し、水晶板２、２０の撓み量に応じて周波数情報を介して流速を検出することができる。この場合、水晶板２、２０の厚さは流速の測定範囲などにより決定される。更にまた本発明は重力を測定する場合にも適用できる。

１ 容器
１１ 台座
１２ 導電路
２ 水晶板
３１、４１ 励振電極
１４ 発振回路
５ 可動電極
６ 固定電極
８ 導電体
１００ 周波数検出部
１０１ データ処理部
１０２ 周波数情報検出部

Claims (5)

1. 圧電板に作用する外力を検出する外力検出装置であって、
   絶縁体からなる容器と、
   前記圧電板を前記容器内にて支持するための支持部と、
   前記圧電板を振動させるために、当該圧電板の一面側及び他面側に夫々設けられた一方の励振電極及び他方の励振電極と、
   前記一方の励振電極に電気的に接続された発振回路と、
   前記圧電板の支持部から離れた位置に設けられ、前記他方の励振電極に電気的に接続された可変容量形成用の可動電極と、
   前記圧電板とは離間して、前記可動電極に対向するように設けられると共に前記発振回路に接続され、圧電板の撓みにより前記可動電極との間の容量が変化してこれにより可変容量を形成する固定電極と、
   前記発振回路の発振周波数に対応する周波数情報である信号を検出するための周波数情報検出部と、
   前記圧電板における前記可動電極とは反対側の面であって、外力により撓む部位と、当該部位と対向する部位と、の少なくとも一方に設けられた導電体と、を備え、
   前記発振回路から一方の励振電極、他方の励振電極、可動電極及び固定電極を経て発振回路に戻る発振ループが形成され、
   前記周波数情報検出部にて検出された周波数情報は、圧電板に作用する外力を評価するためのものであることを特徴とする外力検出装置。
2. 前記圧電板は、可動電極が形成される本体部分と、この本体部分の周方向にそって複数設けられ、各々外方に伸び出すと共に支持部に支持された支持梁と、を備えたことを特徴とする請求項１記載の外力検出装置。
3. 前記圧電板における可動電極が形成される面とは反対側の面に一方の励振電極が設けられ、前記可動電極は他方の励振電極を兼用していることを特徴とする請求項２記載の外力検出装置。
4. 前記支持梁は、前記圧電板を撓み易くするための切れ込みが形成されていることを特徴とする請求項２または３記載の外力検出装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の外力検出装置に用いられる外力検出センサー。

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